Стеллараторы

После Августа 1968 г. реакция на результаты представленные на Новосибирской конференции была особенно сильна в США, где разочарование в характеристиках С – стелларатора привела к переоценке тороидального удержания. Эксперимент с Цезиевой плазмой на С – стеллараторе несмог воспроизвести результаты, полученные в Гархинге, указывая на дефективность магнитных поверхностей, как возможного источника существования откачки. Американцы опасались намного лучших результатов заявленных русским токамаком Т-3, но когда эти данные были точно подтверждены год спустя, они развернули интенсивную токамачную программу, первым шагом которой была переделка С – стелларатора в токамак.

Стеллараторы догоняют токамаки.

Хотя США прекратили стеллараторные исследования после 1969 г., стелларатор продолжал оставаться главной алтернативой строящимся повсюду токамакам и новые идеи по усовершенствованию стеллараторов продолжали появляться. Полный анализ результатов с С-стелларатора, который, к сожалению, не был произведен до переделки его в токамак, показал, что плохое удержание могло быть вызвано круговыми катушками которые должны были соединять половину тора с винтовыми катушками с прямой секцией без них. С – стелларатор состоял из восьми секций: изгиб с l=3 винтовыми катушками, прямой областью для ионно-циклотронного нагрева, изгиба с l=2 (или l=3) винтовыми катушками и прямой секцией с дивертором, все они разделены скругленными секциями с круглым сечением. Миамото (Miyamoto), который пересматривал результаты со стеллараторов в 1978 г. заметил, что С – стелларатор нацелен на соединение многих конфликтующих требований ценою магнитных поверхностей и плазменного сечения [1]. Другие группы ученых приняли во внимание это замечание и использовали преимущества новых вычислительных методов для разработки будущих стеллараторов.

Важной задачей, стоящей перед несколькими группами в мире, которые сохранили веру в стеллараторы было во – первых продемонстрировать хорошее удержание и во – вторых установить скейлинговые зависимости для стеллараторов, подобные тем, что были установлены для токамаков. Стелларатор имеет даже больше степеней свободы, чем токамак и среди характеристик магнитного поля которые влияют на удержание такими являются вращательное преобразование, его радиальная производная (шир), глубина потенциальной ямы (well depth), полоидальное изменение , аспектное отношение R0/a и тороидальная и полоидальная периодичности (m и l в стеллараторной терминологии). Во – первых единственным эффективным методом создания горячей плазмы был Омический нагрев, хотя, как и в токамаках это ограничивало достижимый диапазон параметров и связывало нагрев с вращательным преобразованием, что представляло сложность для установления скейлингово закона для потерь энергии. Но было ясно, что токонесущие стеллараторы обладают аномальными потерями тепла для электронов, которые через некоторое время стали считать соответствующими псевдоклассическому скейлингу Арцимовича [1].

Множество различных способов исследовалось для создания горячей безтоковой плазмы, но все эти тупиковые направления были заброшены в 1980г., когда появились мощные методы дополнительного нагрева на самых больших стеллараторах (на токамаках они начали использоваться с 1973 г.). На 8 конференции МАГАТЭ по термоядерному синтезу в Брюсселе в 1980 г. ученые из Гархинга сообщили обэксперименте на стеллараторе W7-A в котором инжекция нейтрального пучка мощностью 180 кВт поддерживала плазму с электронной и ионной температурами в несколько сотен электроновольт после того как ток осуществляющий Омический нагрев был выключен, а токи в винтовых катушках увеличены для поддержания вращательного преобразования. В Калхэме также получили безтоковую плазму на установке CLEO, используя 12 кВт нагрев на электронно-циклотронном резонансе (ЭЦРН), но при этом ионы оставались холодными и электронные потери энергии были большими. Электронно-циклотронный нагрев (ЭЦРН) мощностью 150 кВТ использовался в JIPPT-II, гибридной установке в Нагойе (Nagoya), которая могла работать и как токамак и как стелларатор. Через некоторое время Киото (Kyoto) начал проводить эксперементы с 200 кВт ЭЦРН на Heliotron-E, и с этого времени W7-A и Heliotron-E привели стеллараторные исследования в диапазон параметров, в котором токамаки работали с 1968 г. Со временем, оба они были оснащены системой дополнительного нагрева мощностью в несколько МВт, разделенную между ЭЦРН, ионно – циклотронным нагревом (ИЦРН), нейтральной инжекцией, а также с пеллет – инжекцией, используемой для контроля профиля плотности. Параметры больших стеллараторов этого периода суммируются в таблице 3 [1].

В годы после Новосибирской конференции, большой прогресс был достигнут в понимании в широком диапазоне конфигураций полей и катушек, которые формируют семейство стеллараторов. (В термоядерном сообществе нет единого принятого употребления общих и специфических названий. Спитцер изобрел две схемы для создания винтового преобразования в вакуумных тороидальных полях – винтовые оси и винтовые катушки – и назвал обе стеллараторами, поэтому и здесь используется это название как общее имя для всех устройств основанных на этих принципах. Но можно также обратить внимание что название “винтовые системы” (helical systems) используется для всевозможных устройств. Стеллараторы с сонаправленными токами в винтовых катушках были названы торсатронами французкими изобретателями, но известны как гелиотроны в Японии. Для согласованности здесь торсатроны/гелиотроны будут называться торсатроны, а установки с противоположными токами в винтовых катушках – “классическими стеллараторами”.) У классического стелларатора существует тороидальное поле, создаваемое соответствующими катушками тороидального поля, как в токамаке, и полоидальное поле с l-изгибающей симметрией, создаваеиой системой 2l тороидально непрерывных винтовых катушек с токами текущими в противоположных направлениях в винтовых катушках. Добавление катушек полоидального поля для создания вертикального поля позволяет сдвинуть магнитную ось для создания конфигурации с миниумом B. Плюсы их применения состоят в возможности менять тороидальные и полоидальные поля независимо, а минусы в том что системы тороидальных и винтовых катушек становятся связанными, создавая общую систему и трудности по ее поддержанию.

Другие статьи по теме

Экологические проблемы энергетики
Энергетика - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении эне ...

Надежность машин станки, промышленные роботы
Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации. Уровень надежности в значительной степени определяет ...